Viện được thành lập trên cơ sở tổ chức, sắp xếp lại các đơn vị sự nghiệp công lập thuộc Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thanh Hóa (Trung tâm nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật giống cây trồng nông nghiệp Thanh Hóa; Trung tâm nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật chăn nuôi Thanh Hóa; Trung tâm nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ lâm nghiệp Thanh Hóa; Trung tâm nghiên cứu và sản xuất giống thủy sản; Đoàn Quy hoạch nông, lâm nghiệp Thanh Hóa; Ban quản lý Trung tâm phát triển nông thôn thuộc Chi cục Phát triển nông thôn); Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ sinh học Thanh Hóa trực thuộc Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thanh Hóa.
Viện Nông nghiệp Thanh Hóa là đơn vị sự nghiệp khoa học và công nghệ, thực hiện chức năng nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao kết quả nghiên cứu khoa học và công nghệ, tư vấn về chiến lược phát triển và cung cấp các dịch vụ trong lĩnh vực nông, lâm nghiệp và thủy sản.
Viện có Viện trưởng và không quá hai Phó Viện trưởng. Việc bổ nhiệm, bổ nhiệm lại, điều động, luân chuyển, khen thưởng, kỷ luật, miễn nhiệm, cho từ chức, nghỉ hưu và thực hiện các chế độ chính sách khác đối với Viện trưởng và Phó Viện trưởng do Chủ tịch UBND tỉnh Thanh Hóa quyết định theo quy định của pháp luật.
Các phòng chuyên môn, nghiệp vụ gồm: Văn phòng; Phòng Kế hoạch, tổng hợp và hợp tác quốc tế; Phòng Quản lý khoa học; Phòng Phân tích và thí nghiệm. Các đơn vị trực thuộc gồm: Trung tâm nghiên cứu khảo nghiệm và dịch vụ giống cây trồng; Trung tâm nghiên cứu khảo nghiệm và dịch vụ vật nuôi; Trung tâm tư vấn quy hoạch, thị trường và chiến lược phát triển nông nghiệp.
Văn phòng có Chánh Văn phòng và không quá hai Phó Chánh Văn phòng; các phòng có Trưởng phòng và không quá hai Phó trưởng phòng; các Trung tâm có Giám đốc và không quá hai Phó Giám đốc.
Việc bổ nhiệm, miễn nhiệm Chánh Văn phòng, Phó Chánh Văn phòng; Trưởng phòng, Phó trưởng phòng; Giám đốc, Phó Giám đốc Trung tâm thuộc Viện thực hiện theo quy định của pháp luật và quy định phân công, phân cấp quản lý cán bộ của UBND tỉnh Thanh Hóa.
Số lượng viên chức của Viện nằm trong tổng số viên chức làm việc của UBND tỉnh Thanh Hóa được cấp có thẩm quyền giao, bảo đảm không làm tăng biên chế. Viện hoạt động theo cơ chế tự chủ, bảo đảm chi thường xuyên từ năm 2021. UBND tỉnh Thanh Hóa quy định cụ thể nhiệm vụ, quyền hạn, cơ cấu tổ chức, số lượng viên chức và quy chế hoạt động của Viện Nông nghiệp Thanh Hóa và các đơn vị trực thuộc Viện.